基于纳米尺度磷化物促进剂的新型燃料电池复合催化剂及催化机制研究

This project will systematically study the novel fuel cells hybrid catalyst materials fabrication characterization and catalytic mechanism based on the nanoscale phosphide catalytic promoters, probe the synergistic effects between the catalytic active ingredient and promoter with the optimized structure-activity relation and long-term catalytic mechanism, form a kind of novel hybrid catalyst design concept by combining the catalytic activity and stability, and finally develop the relevant high-performance fuel cell catalyst fabrication technology. This study will screen several kinds of long-term highly active catalyst system and deeply understand the relationship in terms of the catalytic activity, stability, structure, composition with the help of the fuel cell test and in situ characterization technology to propose a novel approach of increasing the catalyst utility, and the results will be instructive to the large-scale catalyst fabrication for potential commercial application.

本申请拟系统研究基于纳米尺度磷化物促进剂的新型燃料电池复合催化剂的制备表征及催化机制，探明催化剂活性成份与促进剂的协同性并优化其构效关系及长效性机理，形成兼顾催化活性与稳定性的新型复合催化剂设计理念，并发展相应的高效燃料电池催化剂制备技术。筛选出一两种长效高稳定性的催化体系，并结合燃料电池测试及现场表征手段，深刻理解催化活性稳定性和复合催化剂（促进剂）组成结构形貌之间的关系，提出提高催化剂实用性的新途径，为发展可大规模商业化应用的燃料电池催化剂材料提供技术指导。

磷化物作为新型促进剂在液体燃料电催化领域具有重要的应用价值。本项目采用固相反应的方法成功的制备了一系列的磷化钴、磷化镍和磷化铁等纳米材料，随后制备了磷化物与贵金属铂或钯复合纳米材料;并且通过物理表征的手段对合成材料的结构，形貌做了研究，通过电化学表征的方法研究了催化剂材料对甲醇或甲酸电催化氧化的催化性能,并选择一些材料在燃料电池实际应用中进行了测试,发现了几个可以在燃料电池实际应用中具有价值的催化剂材料, 并详细分析了相关材料的稳定性机制和催化机理。通过电化学与光谱学相结合的现场技术,分析了相关材料的抗CO中毒情况，结果发现磷化物促进的燃料电池催化剂可以降低电催化剂材料的中毒效应，从而保证了高效的电催化能力。例如Pd-CoP/C中钯的载量仅为5%，功率密度可达150 mW cm-2，其性能可与钯载量20%的商业Pd/C相较; Pt-CoP/C的功率密度为88.5 mW cm-2，约为商业PtRu/C催化剂的1.4倍; Pd-Ni2P/C具有很好的催化稳定性,在测试200圈后发现发现催化剂的峰电流密度约为初始峰电流密度的90%，在测试1000圈后其峰电流密度约为初始峰电流密度的60%。一步水热合成Pt-Ni2P-Graphene对甲醇氧化和乙醇氧化的电流密度分别是自制的Pt/graphene催化剂的3倍和2.7倍; 在Pd/C催化剂中引入Fe2P促进剂可以使甲酸氧化性能体高3-4倍; 2.2±1 nm的超细铂纳米粒子负载在花瓣状的Fe2P上表现出对醇类氧化的高活性、稳定性和良好的抗CO中毒能力; PtRu壳与FeP核复合催化剂（PtRu@FeP）与商用PtRu/C催化剂相比具有较高的抗CO中毒能力（根据CO氧化峰电位和起始电位分别评估，前者比后者低110 mV和60 mV）,对醇类燃料甲醇和乙醇氧化的峰值电流密度分别是商用PtRu/C催化剂和自制PtRu/C催化剂的2倍和3倍。与本项目相关的科研成果丰富，目前发表SCI学术论文27篇，申请发明专利3项, 培养研究生9名,其中两人已经硕士毕业，已经超额完成了项目的结题要求。